《MEMS典型機構的傳動特性與失效機理分析》是依託上海大學，由沈雪瑾擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：MEMS典型機構的傳動特性與失效機理分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈雪瑾
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在課題組十多年成功研製的多種矽微器件基礎上，針對目前MEMS器件中幾種典型機構的動力與運動傳遞構件之間的微-微接觸副，從傳動機械學的角度，著重探討在傳遞力與運動過程中，表面力、微構件剛度、尺度效應、接觸副摩擦磨損等因素對微尺度機械傳動特性、效率及其失效形式的影響；尋找MEMS工作時傳動學基本參數的有效測試技術與分析計算方法；並通過自製的MEMS動性能試驗裝置，進行相關工況條件、構件結構參數和流片工藝參數對微機構動接觸副工作性能、傳動特性、傳力效率和可靠性影響的對比試驗研究，以揭示MEMS動接觸副因構件尺度效應、製作材料與工藝、使用工況條件而特有的微傳動機械現象的規律與本質。據此，探索延長MEMS傳動副工作壽命的技術與手段，進而研究矽微機械的設計方法和相關性能評價準則，以達到提高MEMS器件的工作性能和使用壽命、建立起MEMS典型傳動機構的基本分析、設計方法的目的。
結題摘要
隨著MEMS技術的不斷成熟和發展，具有微機械傳動構件的MEMS器件越來越多，為提高此類器件的可靠性，亟待確定影響傳動的主要因素和對應的失效機理。項目採用結構設計、理論建模、有限元仿真及試驗測試相結合的研究方法，分別對設計的微傳動器件展開了研究。 ① 結合微齒輪接觸副的微觀接觸特性和基於Maugs-Dugdale接觸模型的黏滑特性建立了微齒輪傳動的控制方程。分析了微尺度下齒輪接觸副的傳動特性，得出范德華力和毛細力引起的粘附能以及接觸副之間的摩擦力是影響微齒輪傳動特性的重要因素，傳動過程中，接觸面會出現黏滑現象。 ② 通過研究微直線馬達在不同驅動條件下影響微傳動平穩性的主要因素，揭示了微直線馬達的運動性能。微直線馬達的運動性能受驅動條件、致動器的性能以及自身結構的影響。與齒式驅動相比，摩擦驅動具有速度高、傳動平穩的優點。 ③ 基於電-熱分析和熱平衡原理建立了四類電熱致動器的電熱耦合模型。對熱-結構進行分析，運用力法原理建立了致動器的位移計算模型。對致動器的輸出位移保持性和重複性以及結構參數和工藝對輸出特性的影響做了分析。結果表明結構參數和工藝對輸出性能均有影響。建立了V型致動器的振動力學模型，分析得出影響V型致動器振動特性的主要因素。∏型致動器的位移與溫度和長度成正比，與梁的厚度和寬度無關。相同溫度下，∏型致動器的輸出位移小於V型致動器；V型致動器的輸出位移小於同參數的複合V型致動器。 ④ 對設計的整體式電熱微夾鉗做了仿真分析和實驗研究，分析了影響微夾鉗輸出位移、夾持力等性能的主要因素。微夾鉗的夾持位移和夾持力與輸入電壓為非線性正相關，夾持力與夾持距離成反比。 ⑤ 針對電熱致動器在交流電作用下承受交變溫度載荷而發生失效的現象，分析了致動器熱疲勞失效的溫度效應。建立了致動器的瞬態溫度計算模型，分析了驅動電壓的頻率和幅值對溫度的影響。得出溫度低於某個閾值，致動器不發生熱疲勞失效，300~600℃的溫度對致動器的工作最有利。分析得出高溫塑性變形是引發熱疲勞失效的直接原因，驅動電壓的幅值和頻率對熱疲勞的作用都能統一到溫度上。 ⑥ 結合理論分析和實驗，得出微傳動系統可靠性的影響因素，其中致動器、滑動構件的縱向約束、加工工藝引起的多晶矽材料的劣化以及滑動引起的摩擦磨損是影響微傳動可靠性的主要因素。 ⑦ 對設計的MEMS桿件傳動機構進行了力學性能分析。
